Комбинированные двигатели

Комбинированный двигатель внутреннего сгорания (КДВС) включает в себя несколько разных машин и аппаратов в одном агрегате. Обязательным элементом КВДС является поршневой двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Кроме этого он содержит как компрессионные машины (компрессоры или нагнетатели), так и расширительные машины (турбины). К числу аппаратов в составе КДВС относятся теплообменники (охладители) и форсажные камеры (дополнительные камеры сгорания).

Из сказанного ясно, что КДВС представляет собой более сложную машину, чем обычный ДВС. Кроме того, его габариты и масса больше, чем у обычного ДВС, однако увеличение этих параметров в сравнении с обычным ДВС, происходит незначительно.

Основными целями, которые достигаются с помощью КДВС, являются:

• Увеличение агрегатной (а также удельной) мощности двигателя; оно может достигнуть 2х-3х кратной величины;
• Улучшение экономических показателей двигателя (увеличение эффективного к.п.д. и снижение эффективного удельного расхода топлива); указанное улучшение может составлять 10 — 15 %.
• В ряде случаев можно получить улучшение экологических показателей двигателя.

Применение КДВС является магистральным направлением в развитии двигателестроения на современном этапе. Все крупные двигатели большой мощности (Ne > 100 кВт) практически выполняются комбинированными. Таковыми являются судовые двигатели (и многие вспомогательные), тепловозные, стационарные энергетические, танковые и т.д. Все эти двигатели выполняются в дизельном варианте.

В области автотракторной техники применяют в основном двигатели средней мощности (Ne > 5 — 500 кВт). Иногда эти двигатели имеют и большую мощность (например, для самосвалов большой грузоподъемности). Кроме того автотракторные двигатели бывают дизельными и бензиновыми (карбюраторными или с впрыском бензина).

Использование комбинированных схем на базе бензиновых двигателей встречает большие затруднения в сравнении с дизельными, что обусловлено следующими причинами:

• Бензиновые двигатели применяют в основном на легковых автомобилях, они имеют относительно небольшую мощность (обычно Ne < 100 кВт) и потребляют небольшое количество воздуха (Gb < 1 кг/c); при таких расходах воздуха проточная часть лопаточных машин (компрессоров и турбин) имеет малые поперечные размеры; поэтому к.п.д. таких машин невысок, что существенно снижает эффективность применения КДВС;
• При одинаковых мощностях расход воздуха в бензиновом ДВС меньше, чем в дизельном, за счет меньших значений коэффициента избытка воздуха. Следовательно, возникают те же проблемы, которые изложены в предыдущем пункте;
• Температура выпускных газов в бензиновом ДВС значительно больше, чем в дизельном. Это вызывает необходимость применения дорогостоящих высоколегированных сталей для изготовления рабочих колес (или деталей проточной части) турбин, что приводит к повышению себестоимости производства КДВС;
• Использование наддува приводит к повышению температуры рабочего тела во всех точках цикла, в том числе в конце сжатия и в процессе сгорания. Сказанное отрицательно отражается на антидетонационных свойствах двигателя и заставляет искать способы снижения опасности появления детонации.

Среди современных бензиновых автотракторных ДВС, запускаемыми в производство иностранными фирмами промышленно развитых стран, примерно 25 % выполняются в виде КВДС, среди дизельных двигателей — 70 %.

Наиболее распространенным и типичным вариантом КВДС является двигатель с газотурбинным наддувом (ГТН) или со свободным турбокомпрессором (с ТК).